高压笼套式节流阀阀芯结构研究与优化分析
本文关键词：高压笼套式节流阀阀芯结构研究与优化分析
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【摘要】：高压节流阀作为天然气井开采中不可或缺的装置之一,在现场安全生产中起着重要作用。气井现场常采用一种特殊的专用装置—笼套式节流阀(俗称“油嘴”)来作为节流降压的工具,以此来平衡井底高压与管道允许承受压力值间的压差,这就决定了节流阀应该具有高性能、高安全、高效率等特点。但在现场开采过程中,由于高压差、高速度气流的湍流扰动,以及由此伴随着不同程度的高能量固体颗粒等杂质,将会引起阀芯振动以及笼套小孔的冲蚀破坏。这些都严重制约着油气田安全生产,影响生产效率,并且增加生产成本。本文所设计研究的笼套式节流阀阀芯结构,其主要材质为硬质合金,通过对其在不同结构下连续单相流和气固两相流有限元分析,研究其对节流阀内部湍流流动、冲蚀磨损速率以及节流效果等的影响；并在此基础上,进行阀芯结构的改进与优化分析,达到减弱湍流流动、降低冲蚀磨损速率的目的,提高阀芯使用寿命。本文主要从以下几个方面开展研究工作：(1)以流体力学和高等工程热力学为基础,运用小孔节流理论建立了单个节流小孔一维定常可压缩流动方程,探讨了可压缩流体密度、流体速度、截面积与压力之间的相互关系,并分析了节流压差与小孔直径、长度之间影响关系以及小孔绝热节流过程与能量损失过程。然后,对阀芯小孔结构布局进行设计和阀体结构设计。(2)通过对不同阀芯结构下连续单相流仿真计算,研究了阀芯笼套小孔安装方位角、阀芯开度、小孔数量、直径以及长度等,对节流阀内部湍流流动、压力、速度、密度、马赫数、激波以及最终节流效果的影响。(3)基于连续单相流动仿真结果与气固两相流动特点,采用拉格朗日离散相模型和冲蚀磨损模型,研究了不同阀芯结构下,粒子的运动轨迹以及冲蚀磨损速率的影响规律,获得了阀芯冲蚀磨损严重区域。(4)根据节流阀内连续单相流动速度分布、湍流流动以及气固两相流粒子冲蚀磨损情况,对节流阀阀芯进行结构改进与优化。采用曲线拟合技术,分析冲蚀磨损速率与阀芯结构影响关系,提出在阀芯小孔入口处作45°倒角处理。(5)二级节流结构的设计与应用。通过对比两种阀芯底座小孔结构的数值结果分析,证明了底座小孔较小,二级节流效果越好,而且减弱了阀腔内湍流波动,将阀芯小孔的径向超音速气流转化为底座小孔轴向超音速气流,将阀芯小孔局部冲蚀磨损转化为底座面磨损,提高阀芯使用安全性能,延长使用寿命。
【关键词】：笼套式节流阀阀芯 连续单相流 气固两相流 冲蚀磨损
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE937
【目录】：
- 摘要3-4
- Abstract4-8
- 第1章 绪论8-16
- 1.1 课题研究背景、目的及意义8-11
- 1.2 节流阀国内外研究现状11-14
- 1.2.1 节流阀国外研究现状11-13
- 1.2.2 节流阀国内研究现状13-14
- 1.3 本论文的主要研究内容和方法14-15
- 1.4 本章小结15-16
- 第2章 小孔节流理论及结构设计16-37
- 2.1 小孔节流基本原理16-27
- 2.1.1 一维定常可压缩流动方程16-20
- 2.1.2 小孔节流理论20-21
- 2.1.3 小孔节流压差影响因素21-27
- 2.2 小孔绝热节流过程27-28
- 2.3 小孔节流能量损失28-29
- 2.4 小孔节流对马赫数及激波的影响29-30
- 2.4.1 小孔节流对马赫数影响29-30
- 2.4.2 小孔节流对激波影响30
- 2.5 笼套式节流阀结构设计30-36
- 2.5.1 阀芯小孔结构设计30-35
- 2.5.2 阀体结构设计35-36
- 2.6 本章小结36-37
- 第3章 笼套式节流阀不同阀芯结构流场分析37-68
- 3.1 引言37
- 3.2 节流阀数值分析理论37-45
- 3.2.1 流体控制方程37-39
- 3.2.2 湍流模型建立39-41
- 3.2.3 物理模型建立41-42
- 3.2.4 模型网格生成42-44
- 3.2.5 边界条件44
- 3.2.6 网格无关性验证44-45
- 3.3 计算结果及分析45-58
- 3.3.1 不同阀芯安装角度的影响45-54
- 3.3.2 不同阀芯开度的影响54-58
- 3.4 不同结构下的流场分析58-67
- 3.4.1 增加小孔直径58-64
- 3.4.2 增加小孔长度64-67
- 3.5 本章小结67-68
- 第4章 笼套式节流阀不同阀芯结构冲蚀磨损分析68-81
- 4.1 笼套式节流阀冲蚀磨损分析理论68-70
- 4.1.1 笼套式节流阀内部流动特性68-70
- 4.2 两相流模型选择70-72
- 4.2.1 欧拉-欧拉方法70-71
- 4.2.2 欧拉-拉格朗日方法71-72
- 4.3 冲蚀磨损模型选择72-73
- 4.4 材料设置及边界条件73
- 4.5 阀芯冲蚀失效对比分析73-79
- 4.5.1 不同阀芯安装方位角的影响74-77
- 4.5.2 不同阀芯节流开度的影响77-78
- 4.5.3 不同阀芯结构下冲蚀磨损失效影响78-79
- 4.6 本章小结79-81
- 第5章 笼套式节流阀阀芯结构优化分析81-89
- 5.1 优化模型建立81-83
- 5.2 网格模型生成83
- 5.3 仿真结果分析83-88
- 5.4 本章小结88-89
- 第6章 论文结论与展望89-91
- 6.1 结论89-90
- 6.2 创新点90
- 6.3 展望90-91
- 致谢91-92
- 参考文献92-95
- 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果95
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本文编号：849447
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